Спектроскопия ЯМР высокого разрешения в органической и металлоорганической химии

Проф. В.С.Петросян

Спектроскопия ЯМР высокого разрешения в органической и металлорганической химии. История Первые наблюдения ЯМР опубликованы в 1946 году Ф.Блохом с сотр. и Ю.Перселлом с сотр., за что в 1952 году им была присуждена Нобелевская премия по физике. Физические основы Большинство ядер обладает угловым моментом количества движения P P = I ( I + 1)h (1)

где h – константа Планка, I – квантовое число углового момента (ядерный спин). Магнитный момент: µ = γ P (2), где γ – гиромагнитное отношение.

µ = γ I ( I + 1) h (3) Ядро

Спин, I

Природное содержание, %

Частота ЯМР (МГц) при B0 =2.35 T

Гиромагнитное отношение γ ( 10 −7 рад ⋅ Т −1 ⋅ сек −1 )

1

H

1/2

99.98

100.000

26.7519

2

H

1

0.016

15.351

4.1066

12

C

0

98.9

-

-

13

C

1/2

1.108

25.144

6.7283

14

N

1

99.63

7.224

1.9338

15

N

1/2

0.37

10.133

-2.712

16

O

0

99.96

-

-

17

O

5/2

0.037

13.557

-3.6279

19

F

1/2

100

94.077

25.181

31

P

1/2

100

40.481

10.841

Ядра в статическом магнитном поле Ядро с угловым моментом P и магнитным моментом µ в статическом магнитном поле B0 ведет себя так, что располагающийся вдоль магнитного поля компонент PZ = mh (4), где m – магнитное квантовое число, которое принимает значения I, I-1, …, -I+1, -I. Очевидно, что m может принимать (2I+1) различных значений и, соответственно, для углового и магнитного моментов может наблюдаться аналогичное число возможных ориентаций (квантование по направлению). Для ядер с I = 1/2 прецессия осуществляется при ϕ = 54°44' .

Из (2) и (4) мы получаем компоненты вдоль направления поля Z: µ Z = mγ h (5) Частота вращения ядерного диполя (ларморова частота) пропорциональна плотности магнитного потока:

νL =

γ B0 (6) 2π

Энергия ядер в магнитном поле. Магнитный диполь, попадая в магнитное поле с плотностью потока B0, обладает энергией E = − µ Z B0 (7). Для ядра с (2I + 1) возможных ориентаций имеется (2I + 1) энергетических состояний (ядерные зеемановские уровни). Из (5) и (7) получаем: E = −mγ h B0 (8)

Различие в энергиях между двумя соседними энергетическими уровнями: ∆E = γ h B0 (9) Оно зависит от плотности магнитного потока B0 (см. пример для I = 1 / 2 ).

Населенности энергетических уровней.

В макроскопическом образце при термическом равновесии ядра распределяются по различным энергетическим уровням в соответствии со статистикой Больцмана. Если для I = 1/2 число ядер на верхнем энергетическом уровне обозначить N β , а на нижнем уровне - N α , то:

γ h B0 ∆E = 1− (10), Nβ k BT k BT где kB - константа Больцмана, а T - абсолютная температура (в K). Значение ∆E по сравнению со средней энергией kBT термических движений крайне мало, поэтому населенности энергетических уровней примерно одинаковы. Избыток на нижнем энергетическом уровне составляет только м.д. (ppm). Nβ

− ∆E

=e

k BT

≈1−

Для 1H при B0 = 1.41 T (ν рез = 60 МГц) ∆E = 2.4 ⋅ 10 −2 J ⋅ mol −1

При T = 300 K N β = 0.9999904 N α Для B0 = 7.05 T (ν рез = 300 МГц) N β = 0.99995 N α (различие растет!) Макроскопическое намагничивание

Т.к. N α > N β , то в результате прецессии ядерных диполей на поверхности двойного конуса вокруг оси Z возникает макроскопическое намагничивание, играющее важную роль в описании импульсных экспериментов.

Основные принципы эксперимента ЯМР Условие резонанса реализуется в том случае, когда для стимулирования переходов с разных энергетических уровней ядра облучают радиочастотным полем B1 с соответствующей частотой ν 1 . Переходы становятся возможны при выполнении следующего условия: hν 1 = ∆E (11) Переходы с нижнего уровня на верхний соответствуют поглощению энергии, а с верхнего уровня на нижний – испусканию энергии. Т.к. N α > N β , то преобладает процесс поглощения энергии облучающего поля. Интенсивность наблюдаемого сигнала поглощения пропорциональна N α − N β , а следовательно, и полному числу спинов N , т.е.

концентрации ядер Если же населенности равны, то сигнал не наблюдается, т.е. имеет место насыщение. Из (9) и (11) получаем условие резонанса:

ν L = ν1 =

γ B0 (12) 2π

В тех случаях, когда I ≥ 1 , квантовая механика разрешает только те переходы, в которых m меняется на единицу: ∆m = ±1 (13). Таким образом, переходы могут иметь место только между соседними энергетическими уровнями (т.е., например, для 14 N переход с m = +1 на m = −1 запрещен).

CW-спектрометр. Приборы этого типа использовались с момента открытия ЯМР и во многих лабораториях используются и сейчас.

1 - ампула с образцом; 2- магнит; 3 - "свипирующие" катушки; 4 - приемная катушка; 5 - радиопередатчик; 6 - усилитель; 7 - осциллограф; 8 - самописец

Реализуются как полевой, так и частотный "свип" при непрерывном изменении B0 или ν 1 . В наиболее широко используемых спектрометрах: B0, T Резонансные частоты, МГц 1 13 H C 1.41 60 15.1 1.88 80 20.1 2.11 90 22.63 2.35 100 25.15 4.70 200 50.3 7.05 300 75.4 9.40 400 100.6 11.74 500 125.7 14.09 600 150.9

Импульсный метод ЯМР В отличие от CW-метода в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не “постоянной волной”, а с помощью короткого импульса продолжительностью τ p (обычно несколько микросекунд): Радиочастотный генератор включают в момент t0 и выключают в момент t1. Продолжительность импульса зависит от ширины спектра. Например, если используется τ p = 10 −5 с, то частотная полоса будет шириной ≈ 10 −5 Гц. Если среднее значение ν 1 выбрано правильно, то все частоты в регистрируемом спектре будут находиться в этой полосе: Полоса находится в пределах от ν 1 − τ p

−1

−1

до ν 1 + τ p .

Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от ν 1 . Т.к., однако, желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать “жесткие импульсы”, т.е. короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка. Мощность – несколько Ватт.

Классическое описание импульсного эксперимента

Взаимодействующее с ядерными диполями радиочастотное поле B1 можно представить двумя векторами одинаковой величины, вращающимися с частотой ν L (сумма этих векторов = 2B1). С ядерными диполями взаимодействует только та компонента, которая имеет одинаковое с ними направление вращения. Под влиянием этой компоненты отклоняется от оси z намагниченность M0, причем отклонение происходит в плоскости, перпендикулярной B1. Во вращающейся системе координат x’, y’, z’ ориентация и величина B1 будут фиксированы. Угол поворота вектора намагниченности θ = γ Biτ p (14). В большинстве импульсных методик используются θ = 90° и 180° , но можно использовать и переменную величину θ : Максимальные сигналы наблюдаются при θ = 90° , т.к. важнейшей является поперечная намагниченность My' , ибо катушка приемника ориентирована вдоль оси y. Для 180° x ' -импульса сигналы не наблюдаются.

Релаксация. При включении радиочастотного поля вектор M0 отклоняется от равновесного положения через угол θ . Спиновая система возвращается к равновесному состоянию через релаксацию, когда Mz → M0, а Mx и My → 0. Блох предположил, что релаксационные процессы имеют первый порядок и могут быть описаны двумя различными временами релаксации, определяемыми уравнениями Блоха для вращающейся системы координат (x’, y’, z’): dM Z M Z − M 0 dM X ' M dM Y ' M = (15); = − X' и = − Y' (16), dt T1 dt T2 dt T2 где T1 - время спин-решеточной или продольной релаксации, а T2 - время спин-спиновой или поперечной релаксации. Обратные величины, T1-1 и T2-1 , соответствуют константам скоростей релаксации. Рассмотрим для примера, что происходит с поперечным намагничиванием после импульса в 90° X ' . При этом M0 в момент t = 0 лежит вдоль оси y’. Т.к. эта ось вращается с ν L ядер, My' остается постоянной или, более точно, ее величина уменьшается во времени со скоростью, определяемой потерями через релаксацию. В соответствии с (16), это уменьшение экспоненциально и его скорость обусловлена временем поперечной релаксации T2.

Такие “спадающие” кривые в реальных экспериментах не наблюдаются, т.к. используемые методы детектирования предполагают получение таких кривых только в тех случаях, когда частота генератора ν 1 и резонансная частота наблюдаемых ядер случайно совпадают.

Фазовая когерентность Экспериментальное подтверждение (14). Из этого уравнения следует, что θ можно увеличить, либо увеличив амплитуду компонента Bi , либо увеличив продолжительность импульса τ p . В экспериментах Фриболина с образцом H2O увеличивали τ p с интервалом 1 мкс, а Bi выдерживали постоянной. Из полученных результатов следует, что максимум амплитуды соответствует θ = 90° , а там, где сигнал проходит через нуль, θ = 180° . Очевидно также, что большие значения τ p дают отрицательную амплитуду сигнала, что объясняется появлением поперечной намагниченности - My' при θ > 180° . Что касается заселенностей энергетических уровней, то при θ > 180° ситуация обращается и на верхнем энергетическом уровне ядер будет больше, чем на нижнем. При θ = 90° имеем более сложную ситуацию, т.к. M2 = 0 и оба зеемановских уровня заселены равным образом. Этот случай отличается от насыщения, т.к. в данной ситуации у нас My' имеется, а при насыщении - нет. Появление поперечной намагниченности в данном случае объясняется тем, что под влиянием B1 ядерные диполи прецессируют вокруг двойного конуса не равномерно, а образуя “редкие” и “плотные” фракции, прецессирующие “по фазе”. Это явление называется “фазовой когерентностью".

Фурье-преобразование. Рассмотрим спектр ПМР CH3I, представляющий собой типичный пример ССИ, т.е. спада поперечного намагничивания. В спектре “временного представления” (A) частота генератора почти точно равна резонансной частоте протонов CH3–группы. В спектре “частотного представления” (B) имеем результат преобразования Фурье для ССИ. Если в образце содержатся ядра с различными резонансными частотами или спектр представляет собой мультиплет вследствие спин-спинового взаимодействия, то кривые спада различных компонент поперечного намагничивания накладываются друг на друга и имеет место интерференция между несколькими ССИ. Спектр ЯМР 13C для 13 CH3OH представляет собой типичную интерферограмму, содержащую интересующие нас резонансные частоты и интенсивности. И в этом случае преобразование Фурье помогает нам превратить (A) в (B). f (ω ) = f (t ) e iωt dt (17) . f (t ) соответствует спектру “временного представления”, а f (ω ) - спектру “частотного представления”. f (ω ) - сложная функция, состоящая из реальной ( Re ) и воображаемой ( Im ) частей. В 1D- спектроскопии ЯМР Re имеет наибольшее значение, тогда как в 2Dспектроскопии ЯМР обычно получают спектр с использованием выражения M = Re 2 + Im 2

Накопление спектра. Осуществляют для ядер с низкой чувствительностью и очень разбавленных растворов – ССИ многих импульсов суммируются в компьютере, а потом подвергаются преобразованию Фурье. При этом “шум” усредняется, а “сигнал” растет. Их отношение пропорционально квадратному корню от “числа сканирований”: S : N ~ NS (18). Запись ССИ и хранение ее в цифровой форме требует некоторого периода, называемого “временем восприятия”, зависящего от числа используемых ячеек памяти. Выбор этого числа обусловлен шириной спектра и поэтому невозможно устанавливать универсальные значения. Для спектра шириной 5000 Гц и с 8K ячеек памяти для сбора данных нужна ~1 сек (1K=1024 Байт).

Импульсный спектрометр ЯМР Основные блоки: магнит, передатчик, приемник и компьютер. Магнит: все импульсные спектрометры с B0 > 2.35 T имеют криомагниты.

Передатчик: осциллятор, генерирующий импульсы с частотой ν 1 и продолжительностью τ p . Приемник: используемый метод детектирования сигналов позволяет использовать ν 1 в качестве эталонной частоты и смешивать ее с сигналом ЯМР, в результате чего в реальных экспериментах измеряется абсолютное значение различия между частотами сигнала и эталона. Компьютер: используется для хранения цифровых данных, для преобразований Фурье, для коррекции фазы, для превращения спектра в желаемую форму, для развертки нужных частей спектра, для интегрирования сигналов и других целей.

Параметры спектров ЯМР. Химический сдвиг. В диамагнитных молекулах эффективное магнитное поле Bэф. на различных ядрах всегда меньше поля B0, т.е. ядра экранированы: Bэф. = B0 − σ B0 = (1 − σ ) B0 (19). Константа экранирования σ - величина безразмерная, порядка 10-5 для 1H, а для более тяжелых ядер имеющая большие значения, т.к. экранирование растет с ростом числа электронов. От магнитного поля σ не зависит, т.к. является молекулярной константой. С учетом (19) уравнение (12) превращается в: ν 1 =

γ (1 − σ ) B0 (20). 2π

Следовательно,

химически неэквивалентные ядра экранированы в разной степени и дают в спектре отдельные резонансные сигналы. Из (20) следует, что чем больше резонансная частота, тем меньше константа экранирования. При этом измеряются не абсолютные частоты, а ∆ν между резонансными сигналами интересующих нас ядер и эталона (внутреннего стандарта), в качестве которого для 1H и 13C используется Me4Si. Т.к. ∆ν зависит от B0, ввели понятие химического сдвига (безразмерная величина!):

δ =

ν об − ν ст ×106 ν ст

(21). Если в (21) заменить ν ст на ν набл , то после такого упрощения

получим новое уравнение: δ =

∆ν

ν набл

×106 (22). Для ТМС ∆ν = 0 , поэтому δ (ТМС ) = 0

(23). Для растворов в сильно полярных растворителях (H2O, ДМСО и др.) вместо ТМС используют в качестве внутреннего стандарта Me2SiCH2CH2SO3Na или внешний стандарт (с поправками!)

Спин-спиновое взаимодействие. В спектре ЯМР этилацетата наряду с синглетом ацетильных протонов ( δ ~ 1.4 м.д.) и CH2-группы ( δ ~ 4.1 м.д.) обусловлено “спариванием” спинов, влияющим на магнитное поле, в котором наблюдается резонанс конкретных ядер, что, в конце концов, определяет и конкретные резонансные частоты (в соответствии с (20)). Спиновая система AX. Примерами двухспиновых систем являются 1H19F, 1H13CCl3, PhCHA-CHX-COOH.

Т.к. расщепление полностью обусловлено магнитными моментами, то оно не зависит от B0 и выражается в Гц. Спиновая система AX 2 . Для ядер X возможны 3 ориентации: ( ↑↑: αα ), ( ↓↓: ββ ) или ( ↑↓: αβ или ↓↑: βα ). Отношение интенсивностей в триплете – 1:2:1, а для триплета и дублета - 1:2.

Спиновые системы AXn Рассмотрим для примера систему AX 3 :

H H3C

O O

Правила мультиплетности. Число компонент в мультиплете определяется уравнением: M = 2nI + 1 (24), где n - число соседних эквивалентных ядер. Для I = 1/2 M = n + 1 (25), а интенсивности компонент в мультиплете соответствуют биномиальным коэффициентам, которые могут быть получены из треугольника Паскаля.

Спиновая система AMX. HA

HM

HX

Спектр ПМР (250 МГц) в CDCl3; J AM = 17.6 Гц ( δ A ~ 6.7 м.д.); J MX = 10.9 Гц ( δ X ~ 5.2 м.д.)

Спиновые системы An. В таких молекулах (H2, CH4, бензол и др.) спин-спиновые взаимодействия наблюдать невозможно. Для таких молекул наблюдаются спектры нулевого порядка. Порядок спектра. Мы ищем спектр первого порядка, если для анализа мультиплетов в нем можно использовать вышеприведенные правила. Для таких спектров ∆ν >> J . Спектры более высокого порядка получаются тогда, когда нарушается это условие и могут появляться дополнительные линии (при этом отношения интенсивностей изменяются). В таких спектрах проявляется “спаривание” эквивалентных ядер. Анализ таких спектров возможен только с помощью компьютеров и часто указывает на различные знаки констант ССВ. ССВ 1H с другими ядрами. Тк при этом практически всегда ∆ν >> J , мы имеем дело со спектрами первого порядка. Интенсивности спектров 1H. В спектрах ЯМР интенсивность – площадь под сигналом. В мультиплетных спектрах измеряются относительные интенсивности мультиплетов.

Интенсивности сигналов 13C. Для аккуратного измерения интенсивностей сигналов 13C необходимо использовать достаточно мощные импульсы. При большой ширине спектра и узких сигналах нужен мощный компьютер, либо лучше записывать отдельные участки спектра.

Влияние физических факторов на экранирование ядер Для ядер со сферическим симметричным распределением заряда вклад диамагнитного экранирования рассчитывается по формуле Лэмба: σ dia(1H) = 17.8*10-6; σ dia(13C) = 260.7*10-6 ; σ dia(31P) = 961.1*10-6. Для молекул расчеты дают неудовлетворительные результаты ( σ dia(H2) = 32.1*10-6, тогда как экспериментальное значение σ dia(H2) = 26.6*10-6). Для корректировки этих расхождений с учетом несферического распределения заряда в молекулах вводится вклад парамагнитного экранирования ( σ dia и σ para .имеют противоположные знаки). Т.к. σ para ∝ 1 электронного возбуждения велика, σ para

, то ясно, что для 1H, у которого энергия ∆E - очень незначительна, а у более тяжелых ядер с

низколежащими возбужденными состояниями σ para становятся весомыми. Но всегда

σ dia > σ para . Электроотрицательные заместители уменьшают, а электроположительные – увеличивают экранирование ядер. Т.к. химические свойства обычно магнитно анизотропны, они имеют различные восприимчивости вдоль трех координат, т.е. экранирование ядер зависит от их положений относительно других частей молекул. Для аксиально симметричного распределения заряда имеем две восприимчивости ( χ ⊥ и χ II ) – по отношению к оси связи. Вклад магнитной анизотропии соседних групп рассчитывается методом МакКоннелла: 1 σ N = 3 ( χ ⊥ − χ II )(1 − 3 cos 2 θ ) (26); 3r 4π r - расстояния до центра диполя Z ; θ - углы между r и направлением A. Расчет показывает, что для HA магнитное поле увеличивается, а для HB - уменьшается.

Примеры магнитно-анизотропных эффектов.

δ (1H)=2.88

δ (1H)=5.28

δ (1H)=9-10

δ (1H)=0.1-0.7

(Для креслациклогексана)

Вклад магнитной анизотропии соседних групп одинаков для разных ядер, но его относительная важность для тяжелых ядер, очевидно, меньше, чем для 1H. Эффект кольцевого тока.

Объясняет меньшее экранирование протонов бензола по сравнению с этиленом и другие факты. δ (1H)=7.27

Эффекты электрического поля. Возникают в молекулах, содержащих полярные группы. Например, протонирование анионов: -NH2 + H+ -> -NH3+. Межмолекулярные взаимодействия: водородная связь H

H3C

C O

C H

C O

CH3

δ (1H) = 15.5 м.д.

Эффекты растворителей (уменьшение экранирования при взаимодействии с растворителем).

Изотопные эффекты. В спектре ПМР CHCl3 дублет для 13 CHCl3 смещен в сильное поле на 0.7 Гц относительно синглета для 12 CHCl3.

1

Замена H на 2H в бензоле приводит к существенным изотопным эффектам в спектрах ЯМР 13 C. 10% C6H6 + 90% C6D6

Суммарное уравнение.

loc σ dia и

loc σ = σ dia + σ loc para + σ N + σ R + σ e + σ i σ dia и σ para , т.к. они учитывают σ loc para отличаются от

(27) только электронные

вклады в непосредственной близости от исследуемых ядер;

δ (1H) обусловлены, в основном,

σ dia . Остальные вклады играют второстепенную роль

(как правило). δ (13C) и более тяжелых ядер, главным образом, определяются Другие вклады не важны.

σ para .

Химсдвиги и структура молекул. Т.к. точные теоретические предсказания δ (1H), δ (13C) и др. невозможны, интерпретацию спектров проводят эмпирическим путем, используя различные закономерности. Например, для предсказания δ (CH2) в Ph-CH2-NH-CH3 можно использовать правило Шулери: δ = 0.23 + Sx + Sy (где Sx и Sy - эффективные константы экранирования – табличные значения). В данном случае: SPh = 1.83; SCH 3NH =

1.57. Следовательно, имеем: δ (CH2) = 0.23 + 1.83 + 1.57 = 3.63, что практически точно совпадает с экспериментальными значениями.

Эквивалентность, симметрия и хиральность.

(A) δ(C-1,4) ≠ δ (C-2,3,5,6)

δ (C-1) ≠ δ (C-2,3)

(B) δ (C-1,2) ≠ δ (C-3,6) ≠ δ (C-4,5)

δ (C-1,2) ≠ δ (C-3)

(C) δ (C-1,3) ≠ δ (C-2) ≠ δ (C-5) ≠ δ (C-4,6)

δ (C-1,2) ≠ δ (C-3) В ЯМР 1H: (A) δ (H-2) = δ (H-3) (B) δ (HA) ≠ δ (HB) ≠ δ (CH) (C) δ (HAA') ≠ δ (HBB')

В вышеприведенных примерах основные отнесения сделаны, базируясь на представлениях об эквивалентности и симметрии. Для хиральных молекул спектры ЯМР обеих энантиомерных форм абсолютно одинаковы. Для того, чтобы эти формы различить, необходимо получить соответствующие диастереомеры, имеющие различные химические и физические свойства, в том числе спектры ЯМР. Получить свидетельство в пользу хиральности молекулы можно и без синтеза диастереомеров, но только если молекула содержит диастереотопную группу. Обычно эти эффекты наблюдаются в спектрах ПМР, а наиболее часто встречающимися диастереотопными группами являются CH2 и C(CH3)2.

Некоторые примеры диастереотопии.

CH3-группы диастереотопны из-за CH3-группы диастереотопны из-за наличия асимметрического атома хиральности бифенила вследствие углерода C2 (мультиплетность – дубль заторможенного вращения вокруг дублетов). связи С-С (атропоизомеризм и конформационные энантиомеры). Для валина сигналы OH и NH2 не наблюдаются из-за обмена с D2O. В случае бифенила сигнал OH исчезает при добавлении следов CF3COOH. Иногда диастереотопия наблюдается и для ахиральных молекул.

COOD

В лимонной кислоте ситуация – HA C HB аналогичная с диэтилацеталем DOOC C OD ацетальдегида. A B H

C H

COOD

Итак, если CH2-протоны или CH3-группы неэквивалентны, то молекула – хиральна. Но если спектр указывает на их эквивалентность, то хиральность не исключена.

Спин-спиновое взаимодействие и строение молекул. Для органической химии большой интерес представляют порядки величин и знаки констант спин-спинового взаимодействия H-H, C-H, C-C. Факторы, влияющие на КССВ: 1. Гибридизация атомов, участвующих в ССВ; 2. Углы между связями и торсионные углы; 3. Длины связей; 4. Наличие соседних π -связей; 5. Эффекты соседних неподеленных электронных пар; 6. Эффекты заместителей; J(H,H), Гц 276 0-30 0-18 0-7

1

J J 3 J 3+n J 2

Знак + + +/-

J(C,H), Гц 125-250 -10: +20 1-10 <1

Знак + +/+ +/-

J(C,C), Гц 30-80 < 20 0-5 <1

Знак + +/+ +/-

Геминальные КССВ 2 J ( H , H ) зависят от 1. Угла ∠( H , H ) ; 2. Гибридизации C; 3. Заместителей; H

H

H C

H

H H J, Гц -11; -14 -2; -5 +3; -3 φ = ∠( H , H ) 109º 120º 120º Примеры: Метан (-12.4 Гц) Циклопропан (-4.5 Гц) Этилен (2.5 Гц) Очевидно, что чем больше φ , тем более положительна константа 2 J ( H , H ) . 2

Соединение 2

J, Гц X

H XвH H

C 2

CH 3OH -10.8

CH 4 -12.4

C

H

X

H XвH 2 J(H,H), Гц

CH 3 F -9.6

CH 2Cl2 -7.5

CH 2O +41.0

CH2

S

NR

O

-4.5

(±0.4)

+2.0

+5.5

H

J, Гц

C C

CH 3Cl -10.8

Li

H

Cl

OCH3

F

+7.1

+2.5

-1.4

-2.0

-3.2

Вицинальные константы 3J(H,H) зависят от: 1. Торсионных и двугранных углов; 2. Заместителей; 3. Расстояния между атомами C-C; 4. Угла ∠ (H-C-C). Соединение

Геометрия

Циклопропан

Цис Транс Цис Транс a,a a,e e,e Орто 2,3 3,4

Циклобутан Циклогексан Бензол Пиридин H-C-C-H =CH-CH= -CH=CH2

Цис Транс

〉CH − CHO = CH − CHO CH − NH a ) CH − OH b ) CH − SH a ) a) Без обмена; b ) все значения со знаком ⊕ Карплус: показал расчетным путем зависимость вицинальных КССВ от двугранного угла. Теоретическая кривая Карплуса – нижняя, а заштрихованная – область типичных значений 3J(H,H).

Замещенные этаны:

В I и III 3 J гош ≈ 3-5 Гц ( φ = 60° ) В II 3 J транс ≈ 10-16 Гц ( φ = 180° )

3

J(H,H), интервал в Гц 6-10 3-6 6-10 5-9 6-14 3-5 0-5 6-10 5-6 7-9 0-12 9-13 5-14 11-19 1-3 5-8 4-8 4-10 6-8

Типичное значение b) 8 5 9 3 3 9 5 8 7 10 10 16 3 6 5 5 7

При [I] = [II] = [III] 3 J =

1

3

( 2 3 J гош + 3 J транс ) ≈ 7 Гц.

Если [I] ≠ [II] ≠ [III], то 3 J = x I J гош + x II J транс + x III J гош . 3

J зависит от температуры, как и равновесие I, II, III.

Эксперименты двойного резонанса Применения: 1) Гомоядерное "распаривание", в основном применяемое в ПМР. 2) Гетероядерное "распаривание", используемое, главным образом, в спектроскопии ЯМР 13 С. 3) для определения схем энергетических уровней и относительных знаков КССВ. 4) в методе «переноса селективной поляризации», используемом в одноразмерной спектроскопии ЯМР (1D-NMR) с применением последовательностей сложных импульсов. 5) для увеличения интенсивности сигналов вследствие ядерного эффекта Оверхаузера. 6) в «динамическом ЯМР» с использованием «переноса насыщения» удается измерить константы скоростей обменных процессов. "Развязывание спина" в спектроскопии ЯМР 1Н. Т.к. ССВ приводит к расщеплению сигнала только, если ядра сохраняют ориентацию спинов в поле В0 на период времени, более длинный, чем τ1 = 1/J, то в экспериментах двойного резонанса τ1 уменьшают одновременным облучением ν2, точно равной резонансной частоте ядер, с которыми нужно "развязать" интересующие нас ядра.

Двойной резонанс дал возможность превратить ABCX → ABC. Если облучить Н-4 ν3, то ABC → AB, т.е. будет реализован тройной резонанс. Для определения схем энергетических уровней и относительных знаков КССВ используется т.н. метод "щекотания спинов" (spin tickling).

Подавление сигнала растворителя. При использовании органических растворителей такие проблемы возникают редко, т.к. обычно применяют дейтерированные аналоги с высокой степенью изотопного замещения. Применение воды (даже D2O) приводит к существенному перекрыванию сигнала H2O или HDO (δ = 4 – 5 м.д.) с интересующими сигналами растворенного вещества. Важно знать, что при 240С этот сигнал появляется при 4.8м.д., а при 800С – при 4.4м.д. Т.к. T1 (H20) = 3сек, а для протонов в органических молекулах – 1сек, то для подавления сигналов Н2О и HDO необходимо использовать ту же последовательность импульсов, что и для измерений T1, а именно: (1800x’ – τ – 900x’ – ССИ)n, варьируя τ. За этот временной интервал протоны органических молекул притерпевают полную релаксацию и удается наблюдать необходимый спектр. «Распаривание спинов» в спектроскопии ЯМР 13С. «Развязка» от протонов реализуется использованием генератора, обеспечивающего широкую полосу частот во всем диапазоне спектра 1Н.

Для подавления ССВ 13С со всеми протонами необходима высокая мощность передатчика, что может приводить к перегреванию образца. Для предотвращения этого предложена новая методика широкополосной развязки с использованием «составных импульсов».

“Развязка спинов” типа «1H- off-resonance” Для получения информации о числе атомов водорода, связанных с различными атомами углерода в исследуемом образце, и был развит данный метод, в котором используется меньшая мощность «декаплера». В результате этого ССВ существенно уменьшается, но мультиплетность сигналов сохраняется. Подбирая соответствующие приборные условия, можно обеспечить наблюдение тех мультиплетов, которые обусловлены ССВ только непосредственно связанных ядер.

А) – спектр ПМР (90 МГц) В) – Е) – спектры ЯМР 13С; В) – без С-Н «развязки»; С) – селективная «развязка» от СН3-протонов; D) – «1Н-off-resonance» с приложением ν2 в область δ = 8 м.д. E) – «1Н-off-resonance» с приложением ν2 в область δ = 1 м.д.

«Распаривание с воротами» (Gated Decoupling) Для сохранения, с одной стороны, информации о числе 1Н, связанных с 13С, и, с другой стороны, увеличения интенсивности сигналов за счет ядерного эффекта Оверхаузера (хотя бы частично) разработана специальная методика, в которой, в отличие от «ШП-развязки», «декаплер» на время импульса возбуждения 13С и снятия информации выключается. При выключении «декаплера» сразу же возобновляется ССВ, но заселенности уровней к своим равновесным значениям возвращаются очень медленно, что контролируется Т1, которые обычно больше, чем время, необходимое для снятия информации. «Обратное распаривание с воротами» (Inverse Gated Decoupling) разработано для получения спектров ЯМР 13С с корректными интенсивностями сигналов. В этой методике «декаплер» включается только на период импульса возбуждения 13С и снятия информации. За такой короткий период ядерный эффект Оверхаузера не может привести к увеличению интенсивности сигналов.

После накопления ССИ и выключения широкополосного «декаплера» система перед следующим импульсом должна снова релаксировать. Однако, необходимое для этого время короче, чем 5T1.

Одноразмерные эксперименты ЯМР с использованием сложных последовательностей импульсов. J-Модулированные эксперименты «спин-эхо». В обычных экспериментах «спин-эхо», используемых для определения Т2 путем устранения вклада неоднородности магнитного поля в релаксацию, используется следующая последовательность импульсов: 900x’ – τ - 1800x’-τ(1-oe-эхо) – τ – 1800x’ – τ(2-oe-эхо)… Эти эксперименты проводились с целью рефокусировать векторы спинов, отклонявшихся за время τ (несколько сотен ms, а продолжительность импульсов τp – всего несколько µs) от первоначальной ориентации вследствие неоднородности В0 или различных Ларноровых частот (химические сдвиги).

Теперь рассмотрим, как ССВ влияет на «спин-эхо», взяв спиновую систему АХ на примере 13СНCl3 (где А = 1Н и Х = 13С) при наблюдении спектра ЯМР 13С. Оказывается, что в зависимости от J(C,Н) получаются «правильные» и «неправильные» спектры, что дает возможность решать обратную задачу, т.е. находить истинные значения J(C,H).

Метилкетозид-метилового эфира Nацетил-D-нейраминовой кислоты.

Дж.Шулери (1982) предложил т.н. «тест на присоединенные протоны» (АРТ), из которого видно, что 5 сигналов «вниз» относятся к четвертичным и вторичным углеродам (NH = 0,2, т.е. четное), а 8 сигналов «вверх» – к третичным и первичным углеродам (NH = 1,3, т.е. нечетное).

Увеличение сигнала переносом поляризации Эксперимент с селективным обращением населенностей (SPI). Интенсивность сигнала пропорциональна Nα – Nβ, а Nβ/Nα = 1 – (γhB0/KBT), поэтому Nα – Nβ растет с увеличением магнитного поля. Рассмотрим на примере 13СНCl3 возможность увеличения интенсивности сигнала в спектре ЯМР 13C c помощью селективных импульсов.

А) – равновесное состояние; В) – селективный 1800 импульс, возбуждая инвертирует только переход А2, населенности уровней 1 и 3. Поэтому переход Х1 дает увеличение сигнала поглощения, а переход дает увеличенный сигнал испускания. С) – селективный 1800 импульс, возбуждая инвертирует только переход А1, населенности уровней 2 и 4. И снова мы получаем два увеличенных сигнала – поглощения для перехода Х2 и эмиссии для перехода Х1.

Такой перенос поляризации лучше называть переносом намагниченности. По теории, факторы населения являются функциями гиромагнитных отношений: 1 + γA/γX и 1 - γA/γX Для 13СНCl3, т.к. γ(1H)/γ(13C) = 4, интенсивность сигнала поглощения в 5 раз, а эмиссии в 3 раза больше интенсивности нормального сигнала. Эксперимент с SPI довольно сложный т.к. сперва нужно измерить частоты переходов 1Н(А1 и А2). Затем нужно генерировать и приложить 1800 импульс. Два новых метода, использующих специальные последовательности импульсов (INEPT и DEBT), созданы специально для замены экспериментов SPI.

Эксперименты с нечувствительными ядрами ,”усиленными” переносом поляризации. INEPT (Р.Фримен, 1979) имеет большое преимущество перед SPI, т.к. в нём перенос поляризации достигается без использования селективных импульсов , что устраняет необходимость точного измерения частот “спутников 13С”.

Кроме того, для сигналов всех ядер 13 С, которые имеют идентичные (аналогичные) значения J(C1H) с соседними протонами , достигается одинаковое увеличение чувствительности. Это объясняется непосредственно последовательностью импульсов, в которой единственной переменной является τ=(4J(C1H) )-1.

Если рассмотреть применение INEPT для трехи -четырёхспиновых систем то: (см. рис.)

Т.е. для СН2 – группы средняя компонента исчезает, а внешние линии увеличиваются в 3γ(΄Н) /γ(13С) раз.

Экспримент INEPT для 13СHCl3 инвертирует населенности уровней 2 и 4 , что приводит к изменению на обратные направления векторов макроскопической намагниченности МСβ и МНβ ( по сравнению с равновесием . В спектре ЯМР 13С, наблюдается два увеличенных сигнала – один позитивный и один негативный. INEPT очень эффективно использовать для ЯМР 15N,т.к. фактор усиления γ(΄Н)/γ(15 N)≈10

Эксперимент по неискаженному уселению переносом поляризации (DEPT). DEPT является одним из наиболее важных методов в современной спектроскопии ЯМР ,т.к., например, двойной ”off-резонанс” не в состоянии разрешить проблему, если сигналы расположены очень близко друг к другу (или когда мы имеем спектры высокого порядка); J-модулированное “спин-эхо”не позволяет отличить четвертичные атомы углерода от вторичных, а третичные от первичных; в различных экспериментах INEPT часто бывает трудно, когда сигналы накладываются друг на друга, или когда нужно отличить СН- и СН3 –группы. Рассмотрим спектры ЯМР 13С знакомого нам вещества:

метилкетозидметилового эфира N-ацетил –D-нейраминовой кислоты:

(A) Спектр ЯМР 13С с ШП-развязкой (100.6 Мгц) (B) CН-суб-спектр: DEPT(90) (C) СН2-суб-спектр: DEPT(45)- DEPT(135) (D) СН3-суб-спектр: DEPT(45)+ DEPT(135) – (E) 0.707*DEPT(90) Последовательность импульсов для эксперимента DEPT: 90°х΄-τ-180˚ х΄-τ-θ у ΄-τ-ШП-развязка канал 1Н : 13 канал С: 90°х΄-τ-180˚ -τ- ССИ(t2)

Одноразмерный эксперимент INADEQUATE Для спектроскопии ЯМР 13С крайне важно получать информацию о ССВ в фрагментах: 13С-13С , 13С-С-13С и 13С-С-С-13С. Но уже для первого случая вероятность его найти в молекуле – 1: 10000! Величина такой КССВ – от 30 до 70 гц, т.е. 2 J(С1С) и 3 J(С1С) будут на порядок меньше и совпадут с основным сигналом и его “боковыми от вращения”. Ситуация будет намного лучше , если основной сигнал 13С , будет подавлен, чего и можно достичь с помощью эксперимента INADEQUATE (incredible natural abundance double quantum transfer). В этом методе используется следующая последовательность импульсов; 90°х΄-τ-180˚ y΄ -τ-90°х΄-∆-90°ф΄ - ССИ (t2)

A: Спектр ЯМР 13С c ШП-развязкой B: Спектр 1D-INADEQUATE C: Расширенная часть спектра B Полученные КССВ (Гц): J(2,3) = 36.9±0.2 J(3,4) = 37.1±0.2 J(4,5) = 38.1±0.2 J(5,6) = 39.7±0.2 J(6,7) = 43.7±0.2 J(7,8) = 44.0±0.2 J(8,9) = 41.1±0.2 Для успешного эксперимента очень важно правильно выбирать время задержки τ ( в данном случае –5ms). По теории двойная квантовая когерентность осуществляется с максимальной эффективностью , если: τ ═ (2n+1) ⁄ 4J(С1С) при n = 0,1,2,3

Двуразмерная (2D) спектроскопия ЯМР В отличие от 1D-ЯМР, где абсцисса спектра представляет собой частотную ось, несущую информацию о химсдвигах, а ордината дает интенсивности сигналов, в 2D-ЯМР как абсцисса, так и ордината являются частотными осями, а интенсивности образуют третье измерение. Если вдоль одной из частотных осей мы откладываем «d», а вдоль другой – «J», то такой спектр мы называем 2D-J-разрешенным. Если же вдоль обеих осей откладываются «d», то мы имеем 2D-d-коррелированный спектр. В отличие от обычного импульсного эксперимента ЯМР, в котором непосредственно за возбуждаемым импульсом идет фаза «восприятия данных», и от одноразмерных экспериментов, в которых кроме импульса и фазы «восприятия данных» есть еще «подготовительная» фаза, в 2D-экспериментах появляется еще одна промежуточная фаза – «эволюции и смешения». Переменной в эксперименте является t1, меняющаяся от «ms» до «s». ШП-развязка осуществляется только при «восприятии данных», т.е. при «эволюции и смешении» имеет место ССВ (для 13CHCl3 – 13С-1Н). Проведение n экспериментов с разными t1 с Фурье-преобразованиями относительно t2 дает n спектров F2, а при втором Фурьепреобразовании этих n F2-спектров относительно t1 получаем две частоты, разница между которыми равна J(13С – 1Н). В «поленичном» варианте спектра, каждая поленица не соответствует одному эксперименту, а в «контурном» спектре дается вид сверху, при том, что «срез» сигналов осуществляется на определенной высоте от плоскости F1-F2.

Гетероядерные 2D-J,δ-спектроскопия ЯМР 13С Рассмотрим применение для этих целей методики «распаривания с воротами» для 13 CHCl3. Последовательность импульсов от только что рассмотренной отличается наличием в середине фазы “эволюция и смешение» импульса 1800y’ и широкополосной развязкой во второй половине этой фазы. Для 13CHCl3 Фурье-преобразование относительно t2 дает синглет, модулированный J(C, H). Второе Фурье-преобразование относительно t1 дает дублет вдоль направления оси F1 c расщеплением J(C,H)/2, т.к. система претерпевала «эволюцию» не t1, a t1/2. Рассмотрим теперь гетероядерный 2D-J,δ-спектр ЯМР 13С для метилкетозида метилового эфира N-ацетил-D-нейраминовой кислоты.

Гомоядерная 2D-J,δ-спектроскопия ЯМР 1Н В связи с тем, что для гомоядерных систем ШП-развязка невозможна, «спаривание» спинов 1Н-1Н будет иметь место на протяжении всего эксперимента. Последовательность импульсов: 900x’ – t1/2 – 1800x’ – t1/2 – CCH(t2). Интерферограммы (ССН) записываются для нескольких различных значений t1 при постоянных интервалах в несколько миллисекунд.

А) – проекция мультиплетов на ось F2 В) – нормальный (1D) спектр ПМР соединения I. На контурном спектре сигналы с δ = 3.9 м.д. выглядят сложно иззи перекрывания сигнала сложноэфирной СН3группы с четырьмя СН-протонами. В таких случаях используют 2Dкоррелированную спектроскопию ЯМР.

Ядерный эффект Оверхаузера Уже упоминался при описании получения спектров ЯМР развязки. Рассмотрим примеры гомоядерных систем:

13

С – {1H} в условиях ШП –

Для понимания физических основ ЯЭО рассмотрим сперва двухспиновую систему AX, в предположении, что JАХ=O (т.е А и Х дают синглеты, интенсивности которых определяются разницей в заселенностях в соответствующих энергетических уровней при равновесии. ЯЭО при «насыщении» перехода ядра А приводит к изменению заселенностей и система пытается восстановить равновесие за счет спин-решеточной релаксации, имеющей диполь-дипольный механизм. А) показывает переходы спинов, а В) иллюстрирует все возможные и теоретически разрешенные процессы релаксации вмести с вероятностями переходов W. Интересно, что W2 может быть больше, чем W1. Если W2 и W0 обусловлены диполь-дипольной релаксацией, то W1 определяется, в основном, недипольным вкладом.

Рассмотрим теперь гетероядерную систему АХ(А=1Н, X=13C).

А) демонстрирует равновесие; при “насыщении” Aпереходов уровни 1 и 3 становятся равнозаселенными, также как уровни 2 и 4. В) показывает, что N1’=N3’ и N2’=N4’, а W2 и W0 – вероятности релаксации. Очевидно, что при новом равновесии (B) N1’ < N1, а N4’ > N4, из чего следует: N1’/N4’ < N1/N4. W2 пытается увеличить N1’ за счет N4’, что приводит к увеличению в различиях заселенностей N1’ – N2’ и N3’ – N4’, определяющих интенсивности Х – переходов. Напротив, W0 пытается увеличить N2’ за счет N3’, что уменьшант различие заселенностей N1’ – N2’ и N3’ – N4’, тем самым уменьшая интенсивность сигнала. Комбинация этих двух противоположенных релаксационных механизмов и представляет собой ЯЭО, который в итоге и зависит от того, какой вклад дают W2 и W0. W2 доминирует в случае малых молекул с короткими временами корреляции τc, в результате чего и наблюдается положительный ЯЭО. Для макромолекул с длинными τc наибольший вклад дает W0, что и определяет наблюдение отрицательного ЯЭО. Такая зависимость W2 и W0 от τc объясняется тем, что флуктуирующие магнитные поля, необходимые для индуцирования двойного квантового перехода, должны содержать частоты, близкие к сумме ларноровских частот νA и νX, тогда как для нулевого квантового перехода нужны существенно меньшие частоты. Из этого следует, что рост интенсивности сигнала вследствие ЯЭО зависит от напряженности магнитного поля! Использование современных спектрометров с высокими магнитными полями сделало довольно обычным наблюдение «отрицательных усилений» резонансных сигналов.

Факторы увеличения интенсивностей сигналов. В предположении, что ядра претерпевают быструю реориентаию ( короткое τс ) и что их релаксация происходит исключительно по диполярному механизму, теория дает дробное увеличение η, как показано в уравнении: η=γа/2γх ( «насыщается» А, наблюдается Х). (где I0 – Итоговая интенсивность сигнала определяется выражением: I=(1+η)I0 первоначальная интенсивность ). Используя гиромагнитные взаимодействующих ядер.

отношения,

можно

находить

η

для

разных

пар

Примеры: 1) Для сигналов 13С в условиях ШП - развязки определим η, имея ввиду, что γ(1Н)≈4γ(13C). Следовательно, η≈2, т.е. интенсивность возрастет от 1 до 3, или на 200%.

2)При наблюдении сигналов 1Н в условиях “насыщения” резонанса 13С (такой эксперимент осуществить практически можно только на 13С- обогащенном образце) мы получим (при 100% обогащении ) η≈0.125, т.е. сигнал возрастёт лишь на 12,5%. Вывод: В гетероядерном варианте ЯЭО необходимо, по возможности “насыщать” более чувствительные ядра (т.е. с набольшим γ) и, соответственно, наблюдать менее чувствительные ядра. 3) В гомоядерных системах эксперименты по ЯЭО имеют практическую значимость только для 1Н. Тогда η=0.5 даст 50% увеличения интенсивности, что для ЯМР 1Н существенно, а для 13С – нет. 4) Если γ – отрицательно, то наблюдаются специфические эффекты. Например, для 15N γ=2.712 и наблюдая резонанс 15N в условиях ШП – развязки от 1Н (γ=+26.752), имеем η=-5 !!! Это объясняет, почему при записи спектров 15N часто наблюдаются отрицательные сигналы. Если вдруг в конкретном эксперименте η=-1, то сигналы 15N, естественно вобще исчезают! В многоспиновых системах важными являются две ообенности : 1) в гомоядерном случае максимальное увеличение η = 0.5 ; 2) могут иметь место отрицательные вклады в наблюдаемый ЯЭО; Прямой ЯЭО- положительный. Не прямой ЯЭО- отрицательный.

Применение ЯЭО в органической химии Т.к. фактор увеличения η зависит как от расстояния между взаимодействующими ядрами, так и от времени корреляции τс , то очевидны следующие применения ЯЭО: 1) выявление молекулярного строения и конформации; 2) помощь в отнесении сигналов; 3) исследования молекулярной динамики. Позднее наиболее сложное и используется преимущественно для макромолекул. Примеры:

Из того же эксперимента следует Z – конфигурация метаболита ,т.к. не произошло увеличения интенсивности сигнала ΄Н. Интересно, что еконфигурация реализуется для 6-ОН – хлорпротиксена. Эксперимент по ЯЭО показывает, что присоединение прошло по С-2 (а не по С-3). При этом наблюдается непрямой ЯЭО.

Экспериментальные аспекты ЯЭО. В реальных экспериментах с применением импульсного ЯМР сперва записывают обычный, затем спектр с ЯЭО и вычитают один из другого. В результирующем спектре наблюдаются только те сигналы, которые имеют различия в интенсивностях в спектрах 1 и 2. Негативные сигналы всегда появляются там, куда “прикладывается” ν2 . Образец не должен содержать О2. Лучше использовать D-растворители. Раствор должен быть разбавленный и невязкий.

Parahydrogen Induced Polarization in Hydrogenation Reactions 1986, Bowers and Weitekamp

First discovery, which showed the ability of this NMR–technique to clucidate the pairwise hydrogen transfer to the substrates. 1988-94, Bargon, Eisenberg et al. Identification of unstable dihydride intermediates, participating in the catalytic cycles of hydrogenation reactions catalyzed by rhodium, iridium, palladium and ruthenium complexes of different structures. 1995-96, Bargon, Klages, Permin, Study of PHIP in the homogeneous hydrogenation Petrosyan reactions of alkenes and alkynes, catalyzed by various platinum complexes.

Inorganic complexes: Cl2Pt(PPH3)2, Cl(H)Pt(PPh3)2, Cl(H)Pt(PMePh2)2, Cl3Sn(H)Pt(PR3)2 [R=Ph, Me] Organometallic complexes:

Динамическая спектроскопия ЯМР Рассмотрим спектры ПМР ДМФА в интервале температур от +220С до +1520С.

Т.е. имеет место реакция первого порядка. Переход I-II описывается константой скорости КI, а обратный переход константой КII. При этом К = КI = KII, т.т. оба ротамера энергетически эквивалентны. В МБФА два ротамера будут отличаться друг от друга по энергии, а следовательно и по константам скоростей прямой и обратной реакции. В спектре ПМР ДМФА при 1200С два сигнала коалесцируют в один. Для этой ТC константа скорости коалесценции определяется выражением КC=2.22∆ν (где ∆ν – разница в гц между двумя сигналами в отсутствие обмена), т.е. К120 0С = 21 с-1. Так как ∆ν пропорциональна резонансной частоте т.е. напряженности магнитного поля, то ТC будет расти с увеличением резонансной частоты прибора. Рассмотрим теперь случай, когда обмениваются положениями взаимодействующие друг с другом ядра. Константа скорости КC при ТC уже выглядит иначе (с учетом ССВ А-В): 1,2-дифенилдиазетидинон (JAB=14.0 Гц) K C = 2.22 ∆ν + 6 J 2

2 AB

В данном случае ∆ν=41 Гц и ТC=272 К, т.е. К272=119 с-1. Инверсия цикла с двумя атомами азота происходит медленно и с высоким энергетическим барьером (∆G272# = 13.3 Ккал/моль) из-за невыгодности возможного переходного состояния.

Применения Динамического ЯМР Две основные причины, определяющие успешное применение динамического ЯМР: 1) Спектроскопия ЯМР часто является уникальным методом отличия продуктов реакции от исходных реагентов; 2) Она позволяет изучать реакции с константами скоростей от 10-1 до 103 с-1, что соответствует значениям ∆G# от 5 до 25 Ккал/моль. Эти интервалы значений обусловлены температурными возможностями спектрометров (от –1000С до 2000С), а для низких температур – растворимостью веществ. Вращение вокруг простых связей С-С. 1. Связи типа С(sp3)-C(sp3).

Наиболее подробно изучены галоген- и трет-бутил – замещенные этаны. В зависимости от природы и числа заместителей значения ∆G# менялись в пределах между 5 и 15 Ккал/моль. 2. Связи типа С(sp2)-C(sp3).

H

H

H Ротамеры толуола C невозможно «выморозить» даже при 1500C.

CH3 CH3

H

3. Связи типа С(sp2)-C(sp2). Заторможенное R3 R4 2 R R5 вращение C C C C 6 наблюдалось в R1 R хиральных производных бутадиена.

CH3

H

Для такого метил,изопропилнафталина Тс=228К, ∆G#228=12.7±0.2 Ккал/моль. Кроме ароматических sp2углеродов, аналогичные явления наблюдают для двойных С=С и С=O связей.

O Даже для незамещенного бензальдегида удалось определить ∆G# = 7.9 ± 0.2 Ккал/моль.

Вращение вокруг частично двойных связей. 1. Амиды. O CH3 Введение в ДМФА вместо формильного водорода R приводит к N снижению барьера. Для R=C6H5 ∆G#298 = 15.0 ± 0.2 Ккал/моль. Для R R CH3 = t-C H ∆G# уменьшается до 12.2 ± 0.2 Ккал/моль. 4 9 298 2. Тиоамиды.

S

CH3

S

CH3

R

N R

В тиоамидах значения ∆G# на 2 – 4 CH3 Ккал/моль выше чем в амидах с теми же N заместителями, что объясняют вкладом CH3 диполярных форм, в которых перекрывание 2p- и 3p-орбиталей менее эффективно, чем 2p-2p в амидах.

3. Двойные связи С=С. CH2 CH2 CH3

Обычно вращение вокруг связи С=С обнаружить не удается, т.к. барьер слишком высок. В данном соединении для вращения вокруг экзоциклической # CH2 CH2 CH3 двойной связи ∆G = 18Ккал/моль. ТC существенно зависит от растворителя и меняется от 339 до 387К.

Инверсия у атомов азота и фосфора. 1. Амины. 1 Обычно энантиомеры аминов с тремя разными R заместителями разделить очень трудно, т.к. они R2 N быстро инвертируют. R3

HA C Ph HB

R3 2 N R R

N OCH Если в качестве одного заместителя ввести прохиральную 3 бензильную группу, то наблюдается инверсия с Тс=257К и ∆G#257 = 12.7 ± 0.2 ккал/моль. CH3

2. Фосфины. Инверсия трехвалентного фосфора гораздо более медленная, чем HA для азота, так что ее нельзя наблюдать с помощью спектроскопии C ЯМР. Но если ввести в молекулу атом хлора, то спектр при Ph B H высоких t указывает на инверсию, приводящую к взаимопревращению двух энантиомеров (инверсия Вальдена).

P Cl CH3

Инверсия циклов Рассмотрим спектры ПМР деметоксибензо-2,4-детиепина OCH3 S S OCH3

I

CH3 CH3

Наблюдаемые спектры позволяют из трёх теоретически возможных конформаций:

сразу же исключить ”твист-ванну”, т.к. ее симметрия (С2) предполагает эквивалентность СН3–групп. Что касается “ванны”, то для нее ∆ν(СН3) из-за влияния “кольцевого тока” должна быть заведомо >100 гц , а на самом деле эта величина равна 52 гц. Т.о. предпочтительной является конформация “ кресла”, которая может быть не только I, но и II. OCH3

Из экспериментальных значений ТC=236±2К и ∆ν=52 гц получаем следующие параметры:

CH3

S S

К236=116±30сек –1 ∆G236=11.5±0.2ккал / моль

OCH3

CH3

II

Валентная таутомерия

H2 1

H

H3

H3 H4

4

H

H2 H1

I II 0 Классический пример – бульвален. В спектре ПМР при +120 С- один узкий сигнал с δ=4.5. При охлаждении до +200 С сигнал уширяется до нескольких сотен гц. При дальнейшем понижении t сигнал расщепляется, а при -600 С образуется 2 мультиплета :1) при δ≈2 с относительной интенсивностью 4; 2) при δ≈5.6 с относительной интенсивностью 6. Спектроскопия ЯМР 13С подтверждает эти данные. При +1400 С наблюдается синглет при δ≈86.4, а при -600 С - четыре сигнала : два для олефиновых углеродов при 128.3 и 128.5 , один для циклопропановых углеродов (δ≈21.0) и один для С4 (δ≈31.0). При коалесценции (от 40 до 500С) ширина линии составила 4000 гц!

Определение параметров активации. Используя уравнение Аррениуса К = К0exp(-EA/RT), можно графически определить ЕА для изучяемых динамических процессов. Т.к. lnК = lnК0 – EA/RT, то зависимость lnК от 1/T будет прямой линией с градиентом EA/R. Определение ЕА таким способом – довольно сложная задача, т.к. необходимо: 1) записать как можно больше спектров в широком интервале температур; 2) для каждого из этих спектров рассчитать константы скорости на основании полного анализа формы линии! Свободную энтальпию активации ∆G# можно определить из уравнения Эйринга. Необходимое выражение выглядит так: ∆G#c=4.58Tc(10.32+log(Tc/Kc)) Кал/моль. Например, для ДМФА, при Tc = 393К и К393 = 21с-1 мы получим ∆G393# = 20.9 ± 0.2 Ккал/моль. Если в уравнение Эйринга ввести соотношение ∆G# = ∆H# - T∆S#, провести логарифмирование, то, при К = 1, мы получим logK/T = 10.32-∆H#/19.14T + ∆S#/19.14. Следовательно, откладывая log(К/Т) от 1/Т будем получать ∆H# и ∆S#. Для мономолекулярных реакций соотношение между энтальпией активации и энергией активации: ∆H# = EA – RT. Источники ошибок при оределении параметров активации: 1) Измерение ∆ν; 2) Измерение КССВ; 3) Измерение полуширин линий ∆ν1/2; 4) Измерение Табс; 5) Измерение Тс. В первом приближении ошибки можно оценить следующими величинами: К и Кс ± 25%; ∆G#: ± 0.2 Ккал/моль; ∆H#, EA ± 1Ккал/моль; ∆S#: ± 2 – 5 кал/мольК. Конформационные превращения циклогексана. Открыты Дженсеном в 1960г на примере С6Н12. В 1964 Анет с сотр. и Бови с сотр. в одном выпуске Proc.Chem.Soc опубликовали данные для С6НD11. В спектрах ПМР (в условиях развязки от D) при комнатной t – один сигнал, при –600С – два сигнала.

Тс = 212К; ∆ν = 28.9 Гц; Кс = К212=64с-1. Кст = 2Кс = 128с-1; ∆G#212 = 10.2 ± 0.2 Ккал/моль.

Гомотопные, энантиотопные и диастереотопные группы Мислоу: в СН2 группе пара водородов может быть гомо-, энантио- и диастереотопной. COOH Если заменить один H Cl H H1 Cl из атомов Н на D, то C C C C C2 C 2 получим два разных H H Cl H H Br энантиомера (прохиральность). В спектрах ПМР гомотопные протоны эквивалентны, а энантиотопные – неразличимы. Если два атома Н в СН2-группе трудно поменять положениями при вращении вокруг оси симметрии или отражением в плоскости симметрии, их называют диастереотопными. CH3 HO C2 HC

С1- прхиральный центр: поэтому НА и НВ – неэквивалентны (даже при вращении вокруг С1 – С2), за исключением изохронности.

HO C1 HA HB

Рассмотрение конформеров I – III приводит к следующим вкладам в экранирование НА и НВ: HA: (δ1) OH,CH3/H,H; (δ2) OH,OH/H,CH3; (δ3) OH,H/H,OH; HB: (δ4) H,H/OH,OH; (δ5) H, CH3/OH,H; (δ6) H,OH/OH,CH3; При быстром вращении значения δ для НА и НВ усредняются: δ A = χ I δ 1 + χ II δ 2 + χ III δ 3 ; δ B = χ I δ 4 + χ II δ 5 + χ III δ 6 Даже если ХI = ХII = XIII = 1/3, значения не будут одинаковыми (за исключением изохронности). При асимметрическом атоме (С, PIII или «стерически жестком» NIII) CH2 или С(СН3)2 всегда неэквивалентны.

Материалы подготовлены Е.Соколовым, А.Дергуновой и др. // Планируется размещение на сайте ХимФака (ChemNet) Москва, ХимФак МГУ, 2000